振動攪拌對水泥穩定碎石路用性能的影響及效益分析

作者簡介：

劉憲林（1996—），碩士，主要從事高速公路施工管理工作。

文章依托試驗路工程應用，研究振動攪拌技術對水泥穩定碎石基層路用性能的影響，并進行效益分析。結果表明：振動攪拌水泥穩定碎石混合料的拌和效果、攤鋪效果、碾壓效果、芯樣效果及強度指標均明顯優于普通攪拌水泥穩定碎石混合料；相較于普通攪拌工藝，振動攪拌工藝可節約水泥劑量約0.5%；相比設備費用增長以及生產效率略微降低，振動攪拌技術經濟效益顯著，工程推廣應用價值很大。

振動攪拌；水泥穩定碎石；路用性能；效益分析

中圖分類號：U416.04 A 12 035 4

0 引言

我國至少90%以上的高等級公路采用水泥穩定碎石基層，因水泥穩定碎石基層具有整體性好、強度高、承載力強、對原材料要求相對較低和工程造價低的優點，在公路建設中扮演了重要角色。然而，由于水泥穩定碎石基層拌和不均勻等問題，極易導致基層強度和耐久性不足，會影響道路的使用壽命［1-5］。近年來，振動攪拌工藝逐漸在各地推廣應用，其在普通攪拌機器上加入激振器，通過傳動裝置傳遞到振動軸，在對水泥穩定碎石混合料進行強制攪拌的同時加以振動作用，使水泥穩定碎石混合料拌和更加均勻，水泥水化物可充分彌散，在不降低水泥穩定碎石強度的前提之下，降低水泥用量。同時，由于改進了拌和工藝，需對級配進行重新設計，從而提高了水泥穩定碎石的路用性能［6-10］。馮西寧等［11-12］等通過試驗對比振動攪拌技術與普通攪拌技術，表明振動攪拌可降低水泥用量、提高強度、減少施工離析和基層開裂。趙悟等［13］通過微觀試驗研究振動攪拌水泥穩定碎石均勻性，表明振動攪拌可有效分散水泥顆粒材料，提高其拌和均勻性。郭子強等［14-15］研究認為振動攪拌工藝能夠較大程度地提高水泥穩定碎石基層強度，減少開裂現象，應用價值較大。

綜上所述，目前的研究主要集中于振動攪拌技術對水穩碎石某一具體性能的影響，本文對振動攪拌工藝與普通攪拌工藝的實際路用性能進行全方位對比，并進行效益分析，得出振動攪拌工藝在水泥穩定碎石基層中的工程推廣應用價值。

1 試驗路方案及原材料

1.1 試驗路方案

試驗路位于廣西大新至憑祥高速公路，在試驗路鋪筑不同水泥劑量和不同拌和工藝下的水泥穩定碎石混合料對比其路用性能。本項目常規拌和方式下水泥穩定碎石的設計水泥劑量為4.5%。根據室內試驗研究結果，現場試驗路采用振動拌和方案，設計3.5%、4.0%和4.5%三個水泥劑量與常規拌和方式進行對比，各水泥劑量試驗段均鋪筑300 m，且水泥穩定碎石混合料的運輸、攤鋪、碾壓工藝均按現有施工工藝執行。具體鋪筑對比方案如表1所示。

1.2 原材料及配合比設計

1.2.1 原材料技術性能

水泥：采用P.C32.5R復合硅酸鹽水泥，按照《公路路面基層施工技術細則》（JTG F20-2015）規定，所用水泥初凝時間＞3 h，終凝時間＞6 h且＜10 h，3 d膠砂強度應＞10.0 MPa，28 h膠砂強度＞32.5 MPa。其相關指標經試驗均符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）的要求，其技術性能檢測結果如下頁表2所示。

集料：粗集料選用棱角性好、破碎面多、壓碎值小、針片狀含量小的碎石或礫石；細集料選擇雜質少、清潔干燥、無風化且具有適當級配的顆粒。本項目采用自產料場生產的集料，共5檔規格：0～4 mm石屑、4～6 mm、6～11 mm、11～24 mm、24～32 mm碎石。各項指標均符合《公路路面基層施工技術細則》（JTG F20-2015）中對路面基層用料的要求，具體技術指標如表3、表4所示。

振動攪拌對水泥穩定碎石路用性能的影響及效益分析/劉憲林，陳飛宏

1.2.2 級配范圍及強度指標

根據《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）及施工圖設計文件，水泥穩定碎石基層的推薦級配范圍如表5所示。

根據《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）及施工圖設計文件，水泥穩定碎石基層要求達到的壓實度及強度指標如表6所示。

1.2.3 材料組成設計

根據粗、細集料的技術指標及篩分結果，參考《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）中級配設計方法，確定水穩碎石材料的配合比為1#∶2#∶3#∶4#∶5#=15%∶28%∶18%∶13%∶26%，具體設計結果見表7和圖1。

2 路用性能影響分析

2.1 拌和效果

采用振動拌和工藝的水穩混合料，粗、中、細集料摻配比例適宜，整體均勻性好，中、細集料均勻分散于粗料之間，結團比例較小，且粗集料表面有充足的細料包裹，拌和效果優良，有利于水泥水化及混合料整體強度的提升；普通拌和方式水穩混合料，粗、中、細集料摻配比例也適宜，但整體均勻性較差，中、細料都各自較為集中分布，且粗料上表面很少或沒有包裹細料，拌和時離析，混合料拌和效果差。

2.2 攤鋪效果

對比普通拌和的水穩混合料，振動拌和水穩混合料攤鋪后的表面紋理較為粗糙，細料更多地裹附于粗料表面，粘聚性較強，且振動拌和條件下水穩混合料的保水性較好，有利于后續混合料的碾壓成型。

2.3 碾壓效果

振動拌和水穩混合料碾壓后的表面平整度較好，無明顯的輪跡和微裂縫，粗細集料分布均勻，沒有明顯的離析帶；而普通拌和水穩料碾壓后表面存在一定量的微裂隙，甚至局部出現離析，導致表面細料偏多。由壓實度數據可以看出，振動拌和水穩料的壓實度普遍高于普通拌和水穩料。

通過表8可以看出，普通拌和的芯樣完整密實率為58%，而振動拌和的芯樣完整密實率為75%。振動拌和與普通拌和均存在部分分層和多孔現象，這可能和當時的施工環境和施工水平有關。如施工時氣溫較高，層間水泥漿中水分的散失成為層間分層的主要原因。另外，可能有局部碾壓不到位的情況，同時壓路機的碾壓速度、激振力和碾壓遍數等均會影響芯樣的密實程度，并造成多孔現象。總體而言，振動拌和芯樣的完整密實率好于普通拌和芯樣。

2.4 無側限抗壓強度

經過對兩種不同拌和條件下基層試驗段鉆取的芯樣進行篩選，選取13個表面密實、集料粗細較均勻的芯樣，切割、磨平后，對其進行無側限抗壓強度測試。測試結果如表9所示。

由表9可知，采用振動拌和技術，水泥劑量為3.5%、4.0%、4.5%時的7d無側限抗壓強度均值分別為5.3 MPa、6.4 MPa、7.1 MPa，代表值分別為4.6 MPa、5.6 MPa、6.3 MPa。普通拌和4.5%水泥劑量的7 d無側限抗壓強度均值為6.2 MPa，代表值為5.1 MPa。

同為4.0%的水泥劑量，振動拌和比普通拌和強度均值提高了16.4%，代表值提高了16.7%；同為4.5%的水泥劑量，振動拌和比普通拌和強度均值提高了14.5%，代表值提高了23.5%。可見，水泥劑量相同時，振動拌和技術可顯著提高水泥穩定碎石材料的強度。

2.5 施工變異性

兩種拌和工藝的施工變異性對比如表10所示。

通過表10可以看出，振動拌和水穩料施工變異系數要明顯低于普通拌和，4.0%水泥劑量的變異系數從9.11%降低為7.41%，降低幅度為18.7%；4.5%水泥劑量的變異系數從11.55%降低為7.48%，降低幅度為35.2%。可見，采用振動拌和工藝，施工變異性改善較為明顯，且水泥摻量越大，改善越明顯。

3 效益分析

3.1 節約水泥效益分析

由表11、表12可以看出，采用振動拌和技術降低了水泥設計用量0.5%，直接節省水泥約2 700 t，經濟效益約為108萬元。通過表13可以看出，采用振動拌和技術生產的混合料約為54萬t，采用普通拌和技術生產的約為82.6萬t。從表中可以看到，間接節省水泥約6 323 t，節省水泥費用約252.92萬元。綜合上述直接與間接經濟效益分析可以看到，振動拌和技術的應用，創造直接經濟效益108萬元，間接經濟效益252.92萬元，總經濟效益達360.92萬元。

3.2 設備費用分析

振動拌和與普通拌和的設備費用、折舊情況以及使用壽命對比如表14所示。

通過表14可以看出，振動拌缸600T的市場價大約為41萬元，普通拌缸600T的市場價約為16萬元。按照35%的折舊率計算，振動拌缸每個項目的折舊費用約為14.35萬元，普通拌缸的折舊費用約為5.6萬元。就單個項目來看，采用振動拌缸，設備折舊增加的成本約為8.75萬元。

因此，相較于振動拌和技術在水泥穩定碎石材料各項性能以及減少的水泥用量等方面所產生的經濟效益，設備增加的成本可以忽略不計。

3.3 生產效率分析

四種不同拌和工藝的拌和參數對比如表15所示。

通過表15可以看出，振動拌和工藝的拌和時間略長于普通拌和，一次振動拌和時間大約為10～12 s，一次普通拌和時間大約為8～10 s；二次普通拌和時間為16～20 s，而二次振動拌和（普通拌和+振動拌和）時間為18～22 s。由此可以看出，振動拌和比普通拌和的時間平均增加了2 s左右。

此外，振動拌缸的攪拌葉片與水平軸的傾斜角為45°，而普通拌缸為60°；同種型號的（比如600型）振動拌缸比普通拌缸長度略長。不管是攪拌葉片傾斜角的適度減小還是拌缸的加長，都會造成拌和時間的略微延長與生產效率的略微降低，但卻提升了混合料的拌和效果和使用性能。

4 結語

本文通過試驗路鋪筑，從應用效果和經濟效益等方面對振動攪拌水泥穩定碎石基層進行了全方位分析，主要結論如下：

（1）從施工外觀效果來看，無論是拌和、攤鋪、碾壓還是芯樣結構的均勻性和密實性，振動拌和均好于普通拌和。

（2）同樣在4.0%的水泥劑量水平，相比普通拌和，振動拌和水穩基層的7 d無側限抗壓強度均值提高了16.4%，代表值提高了16.7%；同為4.5%的水泥劑量，振動拌和比普通拌和強度均值提高了14.5%，代表值提高了23.5%。

（3）振動拌和采用4.0%的水泥劑量，其7 d強度的代表值比普通拌和4.5%水泥劑量的強度標準值還高出10%左右，可節省水泥設計劑量約0.5%。

（4）振動拌和技術可大幅降低強度變異系數，且水泥用量越大，施工變異性改善越明顯。

（5）相比設備費用增長以及生產效率略微降低，振動攪拌技術的經濟效益顯著，具有工程推廣應用價值。

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收稿日期：2022-10-16